DE19905565A1 - Elektrolyseur mit Teilentleerung des Elektrolyten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs mit mehreren hintereinander geschalteten Elektrolysezellen. Die Elektrolysezellen werden über wenigstens einen Hauptkanal und einen Versorgungskanal mit einem Elektrolyten versorgt. Während Betriebspausen wird der Elektrolyt teilweise entleert, so daß der Elektrolyt in den Elektrolysezellen verbleibt und der Hauptkanal und/oder die Versorgungskanäle zumindest teilweise entleert sind. DOLLAR A Parasitäre Ströme werden so minimiert und Leistungsverluste vermieden. DOLLAR A Vorteilhaft sind bei einem Elektrolyseur zur Durchführung des Verfahrens Elektrolytkanäle zumindest teilweise oberhalb der Elektrolysezellen angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrolyseur.

Ein Elektrolyseur weist in der Regel eine Vielzahl von hintereinander geschalteten Elektrolysezellen (Zellen) auf, wie der Druckschrift DE 196 07 235 C1 zu entnehmen ist. Über einen oder mehrere Kanäle wird den Zellen ein Betriebsmittel (Elektrolyt) zugeführt. Von den Kanälen, im folgenden auch Hauptkanäle genannt, zweigen Leitun­ gen ab, die im folgenden Versorgungsleitungen oder Ver­ sorgungskanäle genannt werden. Die Versorgungsleitungen führen zu den einzelnen Zellen bzw. zu den Elektroden­ räumen.

Eine einzelne Zelle eines Elektrolyseurs besteht aus zwei Elektroden und einem dazwischen liegenden Dia­ phragma. Ein Raum, in dem sich eine Elektrode befindet, wird im folgenden Elektrodenraum genannt. Das Betriebs­ mittel, wie zum Beispiel Wasser, wird einem Elektroly­ ten zugegeben (regelmäßig: KOH), den Elektroden zuge­ führt und in seine Bestandteile (Produktgase) zerlegt. Insbesondere werden Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Die produzierten Gase werden zum Beispiel zunächst in Gasabscheider und von hier aus an einen Speicher für Wasserstoff (Wasserstofftank, Hydridspeicherelement) unter Anwendung von Druck weitergeleitet.

Zwischen den Elektroden eines Wasserelektrolyseurs, dessen Zellen über Kanalsysteme für den Elektrolyten sowie für die produzierten Gase verbunden sind, muß re­ gelmäßig auch im Stillstand eine Potentialdifferenz aufrechterhalten werden, um eine Degradation der Elek­ trokatalysatoren auf den Elektroden zu vermeiden.

Aus der Druckschrift "Auslegung, Bau und Inbetriebnahme eines 26 kW-Wasserelektrolyseurs fortgeschrittener Technik für den Solarbetrieb, J. Mergel, H. Barthels, 9. Inter­ nationales Sonnenforum, Stuttgart, 28. Juni bis 1. Juli 1994" ist bekannt, zur Aufrechterhaltung einer solchen Potentialdifferenz eine Schutzspannung anzule­ gen, so daß auch beim Stillstand des Elektrolyseurs ein geringer Elektrolysestrom fließt. Bei einem mit Solar­ strom betriebenen Elektrolyseur, dessen Betriebszeit durch das Strahlungsangebot der Sonne bestimmt wird, führt dies in der Praxis zu Energieverlusten von ca. 5%.

Aus der Druckschrift DE 196 37 656 A1 ist ein Elektro­ lyseur bekannt, bei dem während seines Stillstandes kein oder zumindest ein verminderter Energieverlust auftreten soll.

Zu diesem Zweck weist der Elektrolyseur Mittel zur Un­ terbrechung und Wiederherstellung der durch die elek­ trische Leitfähigkeit des Elektrolyten bewirkten elek­ trischen Verbindung zwischen den Zellen des Elektroly­ seurs auf. Als Mittel werden Schieber (Bolzen) oder Luftblasen, die in die verbindenden Kanäle eingeleitet werden und die die Elektrolytverbindungen unterbrechen, vorgeschlagen.

Durch Unterbrechung der vorgenannten elektrischen Ver­ bindungen verringern sich Shuntströme oder erliegen bei vollständiger Unterbrechung völlig. Daher reicht eine verringerte Schutzspannung bei Stillstand des Elektro­ lyseurs aus, so daß Leistungsverluste vermieden werden. Im Idealfall kann das Anlegen einer Schutzspannung völ­ lig entfallen.

Die vorgenannte Verringerung von Leistungsverlusten be­ zieht sich allerdings nur auf den Stillstand. Während des Betriebes fließen unverändert parasitäre Ströme, die den Wirkungsgrad herabsetzen.

Aus "M. Oppermann und R. Streicher, Fortschrittliche Wasserelektrolyse, Wasserstoffseminar, Würzburg 24. 10. 1995" ist bekannt, einen Elektrolyseur bei 30 bar zu betreiben. Nach Austritt der Gase aus dem Elektroly­ seur werden die Gase weiter verdichtet und dem Speicher für Wasserstoff zugeführt. Die Firma Proton Energy Sy­ stems Inc., USA, hat angekündigt, Elektrolyseure zu bauen, die bei 140 bar Druck betrieben werden können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Leistungsfähigkeit eines Elektrolyseurs weiter zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch einen Elektrolyseur mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Verfahrensgemäß wird der im Elektrolyseur befindliche Elektrolyt für den Stillstand teilweise entleert, so daß der Elektrolyt in den Elektrolysezellen verbleibt und der Hauptkanal und/oder die Versorgungskanäle zu­ mindest teilweise entleert sind. Unter Teilentleerung ist zu verstehen, daß ein Teil des Elektrolyten aus dem Elektrolyseur entfernt und insbesondere einem Vorrats­ behälter zugeführt wird. Dieser Teil ist insbesondere so bemessen, daß der im Elektrolyseur befindliche Hauptkanal - insbesondere die Abschnitte zwischen ab­ zweigenden Versorgungskanälen - frei vom Elektrolyten sind. Zuverlässig und einfach wird so die Aufgabe der Erfindung gelöst.

Beim Elektrolyseur zur einfachen Durchführung des Ver­ fahrens ist wenigstens ein Hauptkanal und/oder ein Versorgungskanal zumindest zum Teil oberhalb der Elek­ trolysezellen angeordnet. Soweit ein Hauptkanal nur teilweise oberhalb von Elektrolysezellen angeordnet ist, sind die Abschnitte des Hauptkanals, die zwei Elektrolysezellen mittels Versorgungsleitungen mitein­ ander verbinden, von der anspruchsgemäßen Anordnung be­ troffen.

Durch die anspruchsgemäße Anordnung soll durch eine teilweise Entleerung der Elektrolyt zwar in den einzel­ nen Elektrolysezellen verbleiben, die elektrische Ver­ bindung zwischen den einzelnen Zellen jedoch unterbro­ chen worden sein. Die Unterbrechung wird durch Entlee­ rung des Hauptkanals, von entsprechenden Abschnitten des Hauptkanals oder eines Abschnitts eines Versor­ gungskanals bewirkt. Dieses Ziel bzw. diese Wirkung läßt sich aufgrund der anspruchsgemäßen Anordnung des Hauptkanals oder Versorgungskanals erreichen, da zu­ nächst ein derartiger Kanal zumindest teilweise ent­ leert wird, bevor die einzelnen Elektrolysezellen von der Entleerung betroffen sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Elek­ trolyseurs münden die Versorgungsleitungen vorteilhaft seitlich, insbesondere von unten in die jeweilige Elek­ trolysezelle. Wesentlich ist bei dieser Ausgestaltung, daß die Versorgungsleitungen nicht auf dem kürzesten Weg einen Hauptkanal mit einer Elektrolysezelle verbin­ den. Der elektrische Widerstand, den ein über den Elek­ trolyten fließender elektrischer Strom überwinden muß, wird durch das Vorsehen vergleichsweise langer Versor­ gungsleitungen heraufgesetzt. Hierdurch wird das Flie­ ßen parasitärer Ströme auch während des Betriebes des Elektrolyseurs vermindert. Der Wirkungsgrad wird so im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik ver­ bessert.

Münden die Versorgungsleitungen von oben in Elektroly­ sezellen ein und entspricht die Länge einer solchen Versorgungsleitung der Länge, die erforderlich ist, um auf kürzestem Weg vom Hauptkanal seitlich oder unten in eine Elektrolysezelle einzumünden, so wird die gleiche Wirkung erzielt (Steigerung des elektrischen Widerstan­ des). Es handelt sich dann also um eine äquivalente Ausführungsform.

Um die Wirkung bezüglich des großen Widerstands herbei­ zuführen, ist es natürlich nicht erforderlich, den oder die Hauptkanäle zumindest abschnittsweise oberhalb der Elektrolysezellen anzuordnen. Wesentlich ist lediglich, daß Versorgungskanäle nicht auf kürzestem Weg zur Zelle geführt werden. Um die Verlängerung des Weges und die damit einhergehende gewünschte Vergrößerung des elek­ trischen Widerstandes herbeizuführen, genügt es, die Versorgungskanäle zunächst entlang von Elektrolysezel­ len zu führen, ehe sie in diese einmünden. Alternativ können Versorgungskanäle zum Beispiel in Form einer Schlangenlinie vorliegen, um den kürzten Weg (kürzeste Zuleitung) zu vermeiden. Es ist jedoch i. a. von Vor­ teil, Versorgungskanäle anspruchsgemäß oder in äquiva­ lenter Weise auszugestalten, da die Durchmesser in der Regel kleiner als beim Hauptkanal sind und somit die gewünschte Wirkung (Vergrößerung des elektrischen Wi­ derstands) mit Hilfe der Versorgungskanäle besonders einfach herbeigeführt werden kann.

In einer Ausgestaltung umfaßt die Vorrichtung einen Elektrolyseur, der bei Drücken oberhalb von 60 bar be­ trieben wird. Insbesondere werden Drücke oberhalb von 120 bar vorgesehen. Vorzugsweise werden 200 bar nicht überschritten.

Die Gase werden anschließend einem Speicher für Wasser­ stoff - also zum Beispiel einem Tank - zugeleitet.

Im Vergleich zum Stand der Technik wird also die Kom­ pressionsarbeit nicht nach Austreten der Gase verrich­ tet, sondern restlos im Elektrolyseur vorgenommen. Durch die Verdichtung der Gase im Elektrolyseur werden die an den Elektroden entstehenden Gasblasen druckpro­ portional kleiner. Die Leitfähigkeit des Elektrolyten steigt an. Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs erhöht sich auf diese Weise. Der gesteigerte Wirkungsgrad ver­ mag die Kompressionsarbeit zu kompensieren, die ver­ richtet werden muß, um Gase effektiv in Tanks speichern zu können. Der erhöhte konstruktive Aufwand wird also wirtschaftlich dadurch gerechtfertigt, daß keine zu­ sätzliche Energie für die Verdichtung der Gase erfor­ derlich ist und Kompressoren entfallen. Das Verhältnis von technischem Aufwand zu gewonnenem Wirkungsgrad ver­ schlechtert sich ab etwa 200 bar. Daher ist es bei sehr hohen Drücken nicht mehr sinnvoll, den Elektrolyseur bei solchen Drücken zu betreiben.

Eine konstruktive Ausgestaltung des Elektrolyseurs um­ faßt ein Ventil, welches ab einem vorgegebenen Druck, also z. B. ab 60, vorzugsweise ab 120 bar öffnet. Der Elektrolyseur ist zum Beispiel in einem druckfesten Ge­ häuse untergebracht. Wird innerhalb des Elektrolyseurs der entsprechende Druck erreicht, so öffnet sich das Ventil automatisch, und die Gase strömen unter hohem Druck in den Tank über die angeschlossenen Leitungen.

Verfahrensgemäß wird der Elektrolyseur unter Druck ge­ setzt und die Gase ab 60 vorzugsweise ab 120 bar einem Tank zugeleitet. In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden 200 bar nicht überschritten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wer­ den die Volumina der Gasabscheider sehr klein gehalten. Aufgrund der hohen Drücke beinhalten die Gasabscheider bei der vorliegenden Erfindung eine große Menge Gas. Um Verluste zu minimieren, ist es bei der vorliegenden Er­ findung geboten, die Volumina entsprechend zu verklei­ nern. Ein kleines bzw. sehr kleines Volumen Gasvolumen im Gasabscheider im Sinne der Erfindung beträgt weniger als 0.1% des stündlich produzierten Gasvolumens. Beim Stand der Technik werden Gasabscheider vorgesehen, die mindestens ein doppelt so großes Gasvolumen enthalten. Die Maßnahmen und Wirkungen, die sich auf die Ausge­ staltungen des Betreibens bei hohem Druck beziehen, können unabhängig von den anderen genannten anspruchs­ gemäßen Maßnahmen und deren Wirkungen durchgeführt bzw. erzielt werden.

Die Figuren zeigen Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Längs- und einen Querschnitt durch einen Elektrolyseur. Dieser weist zwei Hauptkanäle 1 auf, über die der Elektrolyt in den Elektrolyseur ge­ langt. Von jedem Hauptkanal 1 zweigen Versorgungskanäle 2 ab. Die Hauptkanäle sind oberhalb einer Elektrolyse­ zelle 3 angeordnet. Die Versorgungskanäle 2 münden von unten in die Elektrolysezelle 3 ein. In der Elektroly­ sezelle erzeugte Produktgase werden über Gas-Querkanäle 4 in Gas-Längskanäle 5 geleitet. Über die Gas- Längskanäle werden die Gase aus dem Elektrolyseur her­ ausgeführt. Sie werden insbesondere an Gasabscheider weitergeleitet. Von hier aus werden sie zum Beispiel in Tanks gefüllt.

In Fig. 2 wird eine Anlage mit einem Elektrolyseur skizziert, mit der der Elektrolyseur teilweise ent­ leert werden kann. Die Anlage umfaßt einen Vorrats­ behälter E für den Elektrolyten, eine Inertgasver­ sorgung I (Stickstoffversorgung) sowie diverse Ven­ tile V. Die Hauptkanäle für die Elektrolytzuführung sind oberhalb der Elektrolysezellen angeordnet. Sie sind nach einer Teilentleerung frei von Elektrolyt. Der Inertgasdruck ist größer als die zur Überwindung der Höhendifferenz zwischen Elektrolyseur und Gasab­ scheider G1 und G2 erforderliche Druckdifferenz ein­ zustellen. Zum Ablassen des Elektrolyten sind die Ventile VG1 und VG2 geschlossen, die Ventile VI1, VI2, VE1 und VE2 werden geöffnet. Durch Schwer­ kraft fließt der Elektrolyt in den Elektrolyt-Vor­ ratsbehälter. Die Gasabscheider, die Gasführungen und Elektrolytleitungen werden entleert. Zum Füllen der Gasabscheider mit Elektrolyt für den Elektroly­ sebetrieb werden die Ventile VI1 und VI2 geschlos­ sen und die Ventile VG1 und VG2 geöffnet. Unter dem Druck des Inertgases wird der Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter in die Gasabscheider gedrückt. Bei Erreichen des vorgesehenen Füllstandes in den Gasab­ scheidern werden die Ventile VE1 und VE2 geschlos­ sen.

In Betriebspausen wird durch die Teilentleerung des Elektrolyseurs der Stromfluß über den Elektrolyten von der Anode zur Kathode der Elektrolysezellen un­ terbunden. Dies verringert die zur Aufrechterhaltung der Elektrodenaktivität erforderliche Schutzenergie. Es wird nur soviel abgelassen, wie zur Herbeiführung der gewünschten Wirkung erforderlich ist. Der erfor­ derliche Arbeits- und Zeitaufwand wird so minimiert.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs mit mehreren hintereinander geschalteten Elektrolysezel­ len, die über wenigstens einen Hauptkanal und einem Versorgungskanal mit einem Elektrolyten gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt für den Stillstand teilweise entleert wird, so daß der Elektrolyt in den Elektrolysezellen verbleibt und der Hauptkanal und/oder die Versor­ gungskanäle zumindest teilweise entleert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der entleerte Teil einem Vorratsbehälter zugeführt wird.

3. Elektrolyseur zur Durchführung des Verfahrens mit mehreren hintereinander geschalteten Elektrolysezel­ len, die über wenigstens einen Hauptkanal und einen Versorgungskanal mit einem Elektrolyten gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkanal und/oder der Versorgungskanal we­ nigstens abschnittsweise oberhalb der Elektrolyse­ zellen angeordnet ist.

4. Elektrolyseur nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Versorgungskanal seitlich oder von unten in eine Elektrolysezelle mündet.

5. Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Vorrich­ tungsansprüche, der so ausgelegt ist, daß er bei Drücken von 60 bis 200 bar betrieben werden kann, und der mit einem Speicher für Wasserstoff verbunden ist.

6. Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Vorrich­ tungsansprüche mit einem Vorratsbehälter und Mitteln zur Teilentleerung und Zuführung von Elektrolyt aus dem Elektrolyseur zum Vorratsbehälter.

7. Elektrolyseur nach dem vorhergehenden Anspruch mit Mitteln zur Zuführung von Elektrolyt aus dem Vor­ ratsbehälter in den Elektrolyseur.

8. Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Vorrich­ tungsansprüche mit Gasabscheidern, in die die produ­ zierten Gase eingeleitet werden und mit einem Volu­ men eines Gasabscheiders, welches weniger als 0.1% des stündlich produzierten oder produzierbaren und eingeleiteten oder einleitbaren Gasvolumens in den Gasabscheider beträgt.